准绝热密封型氩三相点复现装置

摘要

本发明涉及一种准绝热密封型氩三相点复现装置，其包含有外筒体和上盖，与上盖连接的三相点容器，所述复现装置内设置有真空室，所述三相点容器位于真空室的中心，在所述三相点容器上部的外侧面上贴有第一加热膜，在所述真空室与所述三相点容器之间设置有辐射屏，在所述辐射屏的外侧面和底面上贴有第二加热膜，在所述三相点容器的下部设置有均温块，在所述均温块中设置有多个用于长杆铂电阻温度计阱的插口通道，在所述均温块的中心开有用于套管铂电阻温度计阱的插口通道。采用上述结构的氩三相点复现装置在实验和应用中复现的准确性得到提高，温坪持续时间长，提高了检定效率以及保障了温度基准的传递。

说明书

技术领域

本发明涉及一种密封装置，更具体地，涉及一种准绝热密封型氩三相点复现装置，其可用于建立90国际温标中-189℃到0℃温度范围基准及标准装置，以检定分度标准铂电阻温度计。

背景技术

ITS-90国际温标以一系列金属、非金属物质为定义固定点。这些固定点的温度值是通过在一定压力下高纯物质相平衡温度给定的。ITS-90国际温标在13.8033-273.16K温度范围共6个固定点，其中83.8058K到273.16K温度范围涉及氩三相点(83.8058K)、汞三相点(234.3156K)、和水三相点(273.16K)共3个定义固定点。在前述温度范围内90温标规定有两种内插仪器，分别为套管铂电阻温度计(CSPRT)和长杆铂电阻温度计(LSPRT)，且有两种重叠内插方程，其中，氩三相点(83.8058K)是ITS-90温标中低温区非常重要的定义固定点。尽管套管铂电阻温度计主要使用在80K以下，但根据ITS-90要求仍需要在氩三相点、汞三相点或水三相点进行标定，而套管温度计在汞三相点和水三相点复现相对不方便。长杆铂电阻温度计主要使用在前述温度范围中，在实际应用中相对套管温度计更为广泛。氩三相点是对长杆铂电阻温度计和套管温度计进行标定的具有重要意义的固定点。氩气常温下都为气态，不同于金属固定点，物质由气态变为液态或固态体积发生非常大的变化，气体固定点制作的难点在于要求在相变上有足够量的纯物质，保证温坪有足够长时间以及温度计传感元件完全浸没。

复现长杆铂电阻温度计的氩三相点装置按照复现原理的不同主要分为两类：一类是根据恒定热流法设计，通过调节压力实现氩三相点温坪的复现；另一类是根据准绝热法设计，依靠高精度控温和脉冲微加热来实现氩三相点温坪的复现。在根据恒定热流法设计的装置中，一般采用手动方式调节压力来实现温坪，实验受大气压的影响，实验过程中效率较低且控温精度不高；并且随着实验的进行，装置中的液氮面会降低进而导致氩三相点装置内部温场发生变化，该温场的改变将直接影响三相点装置复现的准确性。相比较而言，采用准绝热原理复现的氩三相点装置克服了测量受大气压影响的因素、可以随时添加液氮，减弱液氮减少带来的影响，利用控温仪精确控温，脉冲微电流加热实现温坪复现，而且能显著延长温坪的时间，由于其明显的优势而被广为采用。

尽管相对于恒定热流法的三相点装置来说，采用准绝热原理复现的密封型氩三相点装置具有明显的优点，但是其复现稳定性依然受到诸多方面因素的影响，如：气源的纯度、装置的气密性、具体的结构特征、固定点的保存、具体的加热控制方法等。现有的氩三相点装置，已无法满足对温度进行高精度测量的发展要求，对温度计基准的保存、维护和传递产生严重的影响。因此，如何进一步提高氩三相点装置在实验和应用中复现的准确性，保障温度基准的传递，是目前所亟需解决的关键问题所在。

发明内容

本发明提供一种具有高复现性的准绝热密封型氩三相点装置，其包含有外筒体和上盖，与上盖连接的三相点容器；在所述复现装置内设置有真空室，所述三相点容器位于真空室的中心，在所述三相点容器上部的外侧面上贴有第一加热膜，在所述真空室与所述三相点容器之间设置有辐射屏，在所述辐射屏的外侧面和底面上贴有第二加热膜，在所述三相点容器的下部设置有均温块，在所述均温块中设置有多个用于长杆铂电阻温度计阱的插口通道，在所述均温块的中心开有用于套管铂电阻温度计阱的插口通道。

优选氩三相点容器的上部和下部均为圆柱形，在氩三相点容器的中部为锥形面，该锥形面的角度为45到90度之间，所述第一加热膜的阻值为152欧姆，在温度计阱顶端设计密封室，使温度计阱口与空气隔绝，所述密封室具有抽真空孔和充气孔，在上盖与真空室之间设置防辐射屏，在所述密封室中，采用温度计阱密封座对温度计阱进行密封，防止水蒸气在温度计阱内结冰；所述均温块采用导热系数较大的物质制成，在所述均温块的外侧壁上形成均匀的齿轮状凹槽，且在柱状均温块的外侧壁对称地开出四个从上到下的凹槽，在所述套管铂电阻温度计阱的插口通道的表面开设有凹槽；

优选所述均温块采用纯度99.9％以上的紫铜制成，所述第二加热膜的阻值为75欧姆，所述氩三相点容器的上部外径范围120-140mm，下部外径范围104-124mm，高度为240-270mm的圆柱体，侧壁厚度范围为5-7mm，上下底范围为10-12mm，容器采用不锈钢棒材掏空制成，承压在120Mpa以上，上下底盖通过氩弧焊连接在容器上，所述均温块的高度为80mm，直径范围为80-100mm；所述辐射屏采用99.9％以上的紫铜制成。

附图说明

图1为密封型氩三相点装置的结构示意图。

图2为氩三相点容器与上盖的连接结构剖面图。

图3A为均温块的俯视结构图。

图3B为均温块的AA1方向剖面图

具体实施方式：

本发明的优点将会通过下文结合附图中对实施例的详细描述而更加明显。

图1为密封型氩三相点装置的结构示意图，该氩三相点装置包括外筒体1和上盖2，所述外筒体1和上盖2由不锈钢或其它能够防腐蚀、耐压力的材料组成，外筒体1与上盖2之间可以直接接触，也可以在外筒体1和上盖2之间设置橡胶垫圈或金属垫圈，然后通过螺栓固定，使外筒体1与上盖2之间紧密接触，或者可采用焊接的方式将外筒体与上盖焊接在一起。其中，在上盖2上具有多个开口部分，这些开口部分分别用于设置液氮灌入口、抽真空口、温度计阱出入口等。另外，上盖2可设置成为法兰形式，从上盖2的开口4往外筒体1的腔体内灌有液氮，用于对氩气进行冷却，优选所述外筒体为杜瓦瓶。

图2为氩三相点容器与上盖的连接结构剖面图，如图2所示，氩三相点容器悬挂在上盖2上，真空室7为氩三相点容器提供真空环境，真空室7具有腔体和密封盖，在密封盖上具有和上盖2相对应的开口部分。由于在低温状态下，三相点系统的漏热主要为导热和对流两种方式，采用机械泵和分子泵的组合系统对真空室7进行抽取真空，上述组合系统通过形成在上盖2和密封盖之间的通道3对真空室7进行抽真空，其真空度可达5.0x10^-5Pa，从而可以最大程度上减小三相点系统中的对流影响。真空室7的侧壁与底部都采用氩弧焊连接，密封盖可制成法兰形式，真空室与密封盖之间可利用铟丝密封。

氩三相点容器9放置于真空室7的中心，通过在氩三相点容器9底部的氩气灌入孔12将高纯氩气充入其中。在氩三相点容器9与真空室7之间设置有辐射屏8，辐射屏8在氩三相点容器外侧，通过在辐射屏8的外表面设置加热元件，对辐射屏进行可控制的升温，阻止氩三相点容器向外辐射热量，为氩三相点复现提供均温环境。采用准绝热法复现的密封氩三相点装置，其具体复现方法为：通过外筒体1中的液氮将氩三相点容器中的氩气的温度降低到三相点以下，等待足够长的时间确保容器内的氩气完全凝固；然后使用真空系统将真空室7内抽为真空，在真空度达到预定标准后，电流源对氩三相点容器进行升温，利用控温仪控制辐射屏温度跟随其同时升温，首先采用大脉冲电流对容器进行加热，随着脉冲次数的增加，容器的温度有序微升，脉冲的电流值逐渐减小，且脉冲之间的间隔时间变大。在现有技术中，加热、控温所用的电阻为锰铜丝，将锰铜丝缠绕在氩三相点容器和辐射屏的中部，进行加热时，电路传递一个加热信号，锰铜丝开始加热，然而由于加热丝占有的体积较小，传递均匀需要很长的时间，当温度达到设定温度时，中心温度会高于边沿温度，导致温度控制不稳定。并且由于锰铜丝、容器、辐射屏都是金属，所以存有连通导电的可能性。为解决此问题，在容器外侧和辐射屏的外侧面与底面上均贴有加热膜代替锰铜丝，其能保证均匀加热，避免局部过热导致实验失败。本发明的氩三相点装置为达到更加稳定的控温，还可以设置两层防辐射屏，其中任意选择一个进行控温，或者二者同时进行控温。真空室的靠近密封盖的位置设计有两个热沉，在热沉上缠绕导线，使导线在此处形成一个均温环境，减少系统漏热量。

对于氩三相点容器9来说，其结构特征对复现性的影响需要从两个方面来考虑：一是容器整体的体积，二是氩气固化后所能占得体积。氩气在常压下由气态变为液态的过程中，体积缩小将近1000倍，理论上氩三相点容器的体积越大，内部所能容纳的氩气量越多，温度的复现效果越好，然而在实际应用中，氩三相点容器的尺寸受到很多实际情况的限制，容器体积越大，需要消耗的液氮量也就越大，同时杜瓦瓶的尺寸就要相应增加，加工成本太高，而且在实验和检测过程中要花费更多的时间，因此要综合考虑多方面因素的影响，选择适当的容器体积，制作适合实验和工业应用所需的氩三相点容器。当氩三相点容器为直筒形状时，在容器内温度降低到氩液化点以下后，氩气可能在氩三相点容器的各个位置液化，最终导致氩气不能完全液化或固化在固定位置。基于上述考虑，本发明的氩三相点容器9采用不锈钢制成，氩三相点容器的上部和下部均为圆柱形，在氩三相点容器的中部为锥形面，该锥形面的角度为45到90度之间，以利于液化的氩顺利流入腔体下部，以防止氩气在三相点容器壁上凝结，而当锥形面的角度过小时，会导致一部分氩固化在锥形面上。为进一步消氩在三相点容器上部的内壁上凝结，在所述氩三相点容器的上部的外侧面上贴有第一加热膜，通过第一加热膜的加热使氩顺利流入到容器的下部，优选该第一加热膜的阻值为152欧姆。液氩的液面大体位于氩三相点容器锥形面的下端，在氩三相点容器的下部固氩形成类似于薄管的形状，包围着温度计，保证了氩与温度计间有良好的热接触。氩三相点容器底部需要放置导热系数较大的物质，以保证氩三相点容器内的温度的均匀性。本发明的物质优选采用紫铜块，低温时紫铜导热系数较大，可以起到均温的作用。在氩气降温过程中，尽量将较多氩气液化、固化在紫铜块上，这样当温度达到氩三相点时，氩吸收热量发生相变，但温度不变化，温度计阱底端放置在紫铜均温块之中，保证所有温度计具有相同温度，有利于实际测量。优选本发明的氩三相点容器尺寸设计为上部外径范围120-140mm，下部外径范围104-124mm，高度为240-270mm的圆柱体，侧壁厚度范围为5-7mm，上下底范围为10-12mm，容器采用不锈钢棒材掏空制成，承压在120Mpa以上，上下底盖通过氩弧焊连接在容器上。

图3A为均温块10的俯视结构示意图，图3B是均温块沿图3A中的AA1线的剖面图。铂电阻温度计温度传感元件长度一般在60mm左右，为了保证温度计的浸没深度，三相点容器中必须维持一定的液体高度。紫铜块的尺寸和样式设计对氩点的复现有很大的影响。根据氩三相点容器的内径尺寸，同时考虑到紫铜块在容器内的稳定性，选择合适的紫铜均温块的尺寸，均温块的最大外径要在容器内，其尺寸略小于容器内径。紫铜均温块的样式决定着氩固体的附着量，为将更多的氩气固化在均温块上，均温块的外侧样式应设计为凹凸不平状。紫铜均温块的直径范围为80-100mm。长杆铂电阻温度计的感温区在温度计低端且有60mm左右，均温块的高度设可将其完全覆盖，均温块的整体高度设计为80mm。均温块设计为齿轮状，这样可以确保氩固体的附着量，同时为保证氩气液化时可以更多的流到均温块底部从而使氩固体从下到上附着在均温块上，在均温块的外侧壁上形成均匀的齿轮状凹槽14，为保证氩在外侧壁上的附着效果，另外如图3A所示在柱状均温块的外侧壁对称地开出四个从上到下的凹槽13。在紫铜均温块的中心开有套管温度计阱，将套管温度计底座放置其中。氩三相点装置在复现长杆铂电阻温度计的同时，可以复现套管温度计。

高复现性的密封型三相点装置主要用于复现长杆铂电阻温度计，同时可以复现套管温度计，套管温度计比较短小，可以直接安放在氩三相点容器中。容器悬挂在杜瓦瓶中，控制线路通过较细的漆包线连接而出，漏热量很小，长杆铂电阻温度计的杆长固定，温度计在顶端连接而出不可能将其完全放入到氩三相点容器中需要考虑温度计杆的漏热影响。

根据当前国内需求及国家基准温度计数量，可以设计满足研究和工业应用需求的多个温度计阱，如可以设置两个温度计阱或四个温度计阱，如图3A所示在AA1上具有两个温度计阱，也可以再在与AA1线垂直的方向上对称的设置两个温度计阱。温度计阱长度由长杆铂电阻温度计的长度来决定，国际上目前在低温段使用的LSPRT长度大多在450-460mm之间，因此温度计阱高度设计为450mm。温度计阱之间的距离要依据当前使用的温度计手柄的直径来决定，并考虑方便插拔。为了尽量减少漏热，温度计阱选择1mm的薄壁不锈钢管。温度计阱口直接暴露在空气中，液氮降温过程时空气中的水汽在温度计阱口凝结，温度计阱内部水汽同时凝结在温度计上，可能损坏温度计，而且在实验结束后温度计无法拔出。为解决结冰问题，温度计阱口须与空气隔绝，在温度计阱顶端设计密封室，所述密封室可以同时抽真空和充气，并且有效的防止漏热。复现实验时，温度计完全被密封在该密封室里面，将温度计阱中的空气抽出，充入氦气或其它保护气体保证良好热交换。容器设计时考虑在测量长杆铂电阻温度计的同时希望也能测量套管铂电阻温度计，该三相点容器设计了套管铂电阻温度计阱11，所述套管铂电阻温度计阱的插口通道的表面上加工有凹槽，凹槽的存在有助于保证在液体较少时候的复现效果。

对装置进行升温是靠电流源对位于三相点容器上部外表面的第一加热膜进行加热，控温仪控制辐射屏外侧第二加热膜的温度，保持三相点容器与辐射屏共同升温。电流源输出微小电流对其进行加热，由于加热后需要一定的时间将温度由外侧传入到容器的内侧，所以要求加热电源在加热一次后需要等待一段时间，再进行第二次加热。使用液氮冷冻氩气，液氮的沸点温度为77K，氩气的三相点的温度为83.8058K，二者的温度十分接近，所以要使用微弱电流进行加热，若电流过热，会导致温度上升到氩三相点之上，实验时要求所用的加热电流为mA级别的，而且必须可以提供脉冲电流，优选采用Keithley的精密恒流源6220。

控制系统是实验装置的核心部分，氩三相点装置复现要求精确控温。通过控温仪实现对加热电源的精确控制，当温度达到氩三相点温度时，需要对其进行精确控温，只有在氩三相点容器外侧形成一个稳定的均温场才能保证复现的准确性。优选采用lakershore 340控温仪。

作为本发明的优选实施例，氩三相点密封装置中：均温块10，块采用99.9％以上的紫铜制成，其高度为80mm，均温块的直径为80-100mm，该均温块整体有数层齿轮状凸起，且在均温块的外侧壁上形成对称的从上到下的凹槽，上述突起或凹槽有助于更多的高纯氩气固化在均热块各个位置上，确保整个均温块温度的均匀性、均温块中开有一个套管铂电阻温度计阱插口通道，均温块顶端开有两个长杆铂电阻阱插口管道，高为78mm。套管铂电阻温度计阱与长杆铂电阻温度计阱分别固定于均温块的相应位置中。

氩三相点容器9，氩三相点容器尺寸设计为上部外径范围120-140mm，下部外径范围104-124mm，高度为240-270mm的圆柱体，侧壁厚度范围为5-7mm，上下底厚度范围为10-12mm，容器采用不锈钢棒材掏空制成，承压在120Mpa以上，上下底盖通过氩弧焊连接在容器上。均温块10放置在氩三相点容器9下部，氩三相点容器上下两端分别开有温度计阱穿过的圆孔，温度计阱与氩三相点容器经氩弧焊连接而成保证密封性。超纯氩气由氩气灌入孔12入氩三相点容器9中。

辐射屏8，辐射屏8采用99.9％以上的紫铜制成，安装在氩三相点容器的外侧，在氩三相点容器外围形成一个均温场。

真空室7，真空室7使用不锈钢板经氩弧焊焊接而成，真空室采用铟丝密封，真空系统通过抽真空口3对真空室7进行抽空，真空室7的真空度可达5.0x10^-5帕。

温度计阱密封座5，温度计阱密封座对温度计阱进行密封，防止水蒸气在温度计阱内结冰。

在密封装置的所有部件安装之前，都要经过严格清洗、烘干。先采用超声波清洗与专用金属清洗液相结合的方法。超声波清洗数次后，用去离子水冲洗，当PH试纸检验呈中性时，结束清洗准备除气。除气主要是通过烘烤、抽空及置换的方法来实现的。具体步骤如下：将加热带缠在辐射屏的外侧、缓冲瓶及部分管路外壁，该加热带可以使用在700K左右，足以保证附着的杂质气体释放。然后与真空系统连接，反复烘烤、充入高纯氩气置换及抽真空。经过两个半月的处理使得杂质气体充分释放，使氩三相点容器的内壁形成氩环境。

复现性是温标固定点水平的重要标志。安装好的密封装置充入超纯氩气进行复现，利用液氮将氩气的温度降低到它的三相点之下，等待足够长的时间确保氩气完全固化，利用真空系统将真空室抽为真空，内部氩三相点容器利用脉冲电流源进行加热，控温仪控制辐射屏跟随其温度上升，其升温速率与氩三相点容器的升温速率保持一致。在温度达到氩三相点温度时，将控温仪的温度设定在高于氩三相点温坪100mk左右，进行控温，电流源进行短时间加热长时间等待，然后利用铂电阻温度计对氩三相点进行测量。

对密封装置进行复现，温坪持续时间超过23小时。经不确定度评估，该固定点容器扩展不确定度小于1mK(k＝2)。由此可见，密封装置的复现水平很高。发明的结构设计使用方便，温坪时间长，提高了检定效率。

尽管参照特定的优选实施例示出并描述了本发明，但本领域技术人员应该理解，本说明书中列举的具体实施方案或实施例，只不过是为了理解本发明的技术内容，在不背离本发明的主旨和范围的情况下，本发明在形式上和细节上可以进行多种改变。